Architectures fonctionnelles de transmission sans fils adaptées aux milieux industriels fortement bruités

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Architectures fonctionnelles de transmission sans fils

adaptées aux milieux industriels fortement bruités

Aamre Khalil

To cite this version:

Aamre Khalil. Architectures fonctionnelles de transmission sans fils adaptées aux milieux industriels fortement bruités. Traitement du signal et de l’image [eess.SP]. Université de Lorraine, 2020. Français.

�NNT : 2020LORR0183�. �tel-03176510�

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Architectures fonctionnelles de

transmission sans fils adaptées aux

milieux industriels fortement bruités

Laboratoire de Génie Informatique, de Production et de Maintenance – LGIPM- Bâtiment A de l'UFR MIM, 3 rue Augustin Fresnel, BP 45112, 57073, METZ Cedex 03

Thèse

Présentée et soutenue publiquement prévu le 28 septembre 2020

Par

Aamre KHALIL

Composition du jury

Rapporteurs : Emmanuel Simeu Maitre de Conférences - HDR, Université Grenoble Alpes Chafic Salame Professeur, Université libanaise

Examinateurs : Wilfried Uhring Professeur, Université de Strasbourg

Florence Azais Chargé de Recherche CNRS, Université Montpellier II Mohamed Tabaa Maitre de Conférences - HDR, EMSI Casablanca Directeur : Fabrice Monteiro Professeur, Université Lorraine

Co-directeur : Abbas Dandache Professeur, Université Lorraine

Ecole doctorale IAEM-Lorraine

/ra UNIVERSITÉ

W DE LORRAINE

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i

(5)

ii En ton nom et pour toi mon Dieu, L’Omniscient et l’Omnipotent.

À mes parents.

À mes frères.

À la personne que j’aime.

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iii

(7)

iv

Table des matières

Avant propos xiv

Introduction générale xvi

Partie I : État de l’art et étude théorique 1

Chapitre 1 : État de l’art 2

1.1. Introduction ... 3

1.2. Vue d’ensemble des technologies de communication industrielles filaire ... 3

1.2.1. Architecture des réseaux filaires d’automatisations industrielles ... 4

1.2.2. Réseaux et configuration des systèmes de communications industriels existant ... 5

1.2.2.1. Protocoles Ethernets industriels... 5

1.2.3. Exigences et limites des réseaux filaires : ... 8

1.3. Evolution vers la communication sans fil industriel ... 8

1.3.1. Technologies de communications et réseaux de capteurs sans fil WSN ... 9

1.3.2. Standard IEEE 802.15.4 pour les communications sans fil ... 10

1.3.3. Avantages des réseaux non filaires ... 12

1.3.4. Problèmes et contraintes des communications sans fil ... 13

1.4. Réseaux de capteurs industriels sans fil IWSN ... 14

1.4.1. Architecture des plateformes IWSN ... 18

1.4.1.1. Topologie du réseau : ... 18

1.4.1.2. Schémas d'accès aux canaux ... 20

1.4.1.3. Couches d'interconnexion de systèmes ouverts (OSI) des IWSNs ... 20

1.4.2. Objectif des IWSN ... 23

1.4.3. WirelessHART ... 24

1.4.4. ISA100.11a ... 26

1.4.5. 6LoWPAN ... 27

1.4.6. ZIgbee ... 28

(8)

v

1.5. Les IWSN dans l’Internet des Objets Industriels IIOT ... 29

1.5.1. Internet des Objets connectés IOT... 29

1.5.2. Industrie 4.0 ... 31

1.5.3. Internet industriel et l’IOT ... 32

1.5.4. Rôles des IWSN dans l’internet industriel ... 33

1.5.5. Plateformes réseaux dédiés à l’IIOT ... 34

1.5.5.1. SIGFOX ... 34

1.5.5.2. LoRaWAN ... 34

1.5.5.3. NB-IoT ... 34

1.5.6. Protocoles de communication IOT : ... 35

1.5.6.1. MQTT ... 35

1.5.6.2. XMPP ... 35

1.5.6.3. AMQP ... 35

1.5.6.4. CoAP ... 35

1.5.6.5. DDS ... 35

1.6. Conclusion ... 35

Chapitre 2 : Modulation et codes correcteurs d'erreurs

36

2.1. INTRODUCTION ... 38

2.2. Techniques de modulations pour les réseaux de capteurs ... 38

2.2.1. QAM ... 39

2.2.2. PSK ... 41

2.2.3. FSK ... 44

2.3. ONDELETTE DISCRÈTE COMME TECHNIQUE DE MODULATION ... 46

2.3.1. Transformée en ondelettes continues (CWT) ... 46

2.3.2. Transformée en ondelettes discrètes DWT : ... 47

2.3.3. Analyse multi-résolutions et bancs de filtres ... 48

2.3.3.1. Analyse multi-résolutions ... 48

2.3.3.2. Bancs de filtres : ... 49

2.4. Familles des ondelettes : ... 52

2.4.1. Ondelette de HAAR : ... 53

2.4.2. Ondelette de Daubechies : ... 54

2.4.3. Ondelette de Symlet : ... 56

2.5. Transformée par paquets d’ondelettes discrète ... 57

2.5.1. IDWPT : ... 57

2.5.2. DWPT : ... 59

(9)

vi

2.6. Codes correcteurs d’erreurs et améliorations de la communication ... 61

2.6.1. Capacite du canal de shannon : ... 61

2.6.2. Systemes a puissance limitee et a bande passante limitee ... 64

2.6.3. Efficacite de la bande passante des systemes modules ... 64

2.6.4. Codes de correction d'erreurs ... 64

2.6.5. Codes en bloc ... 64

2.6.6. Codage convolutif ... 66

2.6.7. Codes Reed Solomon ... 67

2.6.8. Contrôle de parité de faible densité (Low-density Parity Chec LDPC) ... 68

2.6.9. Rôle des codes correcteurs d’erreurs dans les IWSN ... 68

2.7. Conclusion ... 69

Partie II : Aspects fonctionnels et architecturaux 71

Chapitre 3 : Architecture fonctionnelle et canal industriel 72

3.2. Environnement industriel de propagation ... 72

3.2.1. Conditions des milieux industriels ... 72

3.2.2. Caractéristiques d’un canal sans fil industriel ... 73

3.2.3. Bruit industriel ... 73

3.2.3.1. Bruit gaussien (AWGN) ... 73

3.2.3.2. Bruit impulsif... 74

3.2.3.3. Canal multi-chemin : ... 75

3.2.4. Contraintes du milieu industriel bruité ... 76

3.2.4.1. Contraintes fréquentielles ... 77

3.2.4.2. Contraintes de capacité ... 78

3.2.4.3. Contraintes de disponibilité ... 78

3.2.5. Modèle de canal industriel utilisé ... 79

3.3. Architecture basée sur la modulation par ondelettes ... 80

3.3.1. Technique de modulation à la transmission ... 81

3.3.2. Technique de démodulation à la réception ... 81

3.4. Modes d’exploitations et scénarios ... 82

3.4.1. Mode Many to One (MtO) ... 82

3.4.2. La forme des signaux en émission et réception ... 83

3.4.3. Simulation des performances du mode MtO ... 84

3.4.4. Mode One to Many (OtM) ... 88

3.4.5. Simulation des performances du mode OtM ... 89

(10)

vii

3.5. Conclusion ... 93

Chapitre 4 : Simulations en milieux industriel et amélioration des

performances par les codes correcteurs d’erreurs 96

4.2. Exploitation de l’architecture OtM ... 96

4.2.1. Performances de transmission dans un canal AWGN ... 97

4.2.2. Performances de transmission dans le canal industriel... 99

4.3. Exploitation de l’architecture en MtO ... 101

4.3.1. Performances de transmission dans un canal AWGN ... 101

4.3.2. Performances de transmission dans le canal industriel... 103

4.4. Combinaison des Reed Solomon et codes convolutifs ... 105

4.4.1. Technique de combinaison des codes correcteurs d’erreurs... 105

4.4.2. Amélioration des performances sous OtM ... 106

4.4.3. Amélioration des performances sous MtO ... 107

4.5. Amélioration des performances par les Reed Solomon raccourcis ... 109

4.5.1. Reed Solomon Raccourci ... 109

4.5.2. Analyse comparative des codes Reed Solomon ... 109

4.5.3. Performances de communication sous OtM ... 110

4.6. Conclusion ... 112

Conclusion générale et perspectives 114

Publications 118

Bibliographie 120

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viii

Table des figures

1.1 Un exemple de la hiérarchie d'un système d'automatisation industrielle 5

1.2 Exemples de topologies de réseaux en étoile et en pair-à-pair 12

1.3 Classes de capteurs et applications de contrôle [16]. 16

1.4 Systèmes de capteurs pour les applications industrielles. 16

1.5 La taille du marché des WSN industriels installés dans le monde entier devrait être atteint d'ici 2025[27]. 17

1.6 Distribution des applications IWSN en 2018 [27] 18

1.7 Topologie maillée. 19

1.8 Topologie arborescente. 19

1.9 Topologie en étoile. 19

1.10 Pile de protocoles IWSN. 20

1.11 Familles de protocoles MAC sans fil. 21

1.12 problèmes de nœuds cachés et exposés. 22

1.13 Domaines d'application des IWSN. 23

1.14 Calendrier des plages horaires dans WirelessHART pour les dispositifs source et de destination. 25

1.15 Architecture de réseau ISA100.11a 26

1.16 Pile de protocoles 6LoWPAN [42] 28

1.17 pile de l’architecture ZigBee. 28

1.18 Les éléments clés de l'internet industriel [57] 33

2.1 Diagramme de constellation rectangulaire pour différentes valeurs de 𝑀 pour la modulation MQAM. 39

2.2. Taux d'erreur sur les bits de 𝑀QAM pour différentes valeurs de points de la constellation M. 40

2.3 Diagramme de constellation pour différentes valeurs de 𝑀 pour MPSK. 43

2.4 Taux d'erreur sur les bits de MPSK pour différentes valeurs de points de constellation 𝑀. 43

2.5 La modulation par déplacement de fréquence binaire 44

2.6 Banc de filtres d'analyse à 2 canaux. 50

2.7. Banc de filtres de synthèse à 2 canaux 51

2.8 Réponse impulsionnelle des filtres db4 et sym4 55

2.9 Fonction d'ondelettes de Daubechies 56

2.10 Schéma de levage des filtres de prédiction et de mise à jour 57

2.11 Décomposition et reconstruction à un niveau 57

2.12 Perspective de l'arborescence binaire complète de l'IDWPT pour le multiplexage orthogonal de quatre sous-porteuses [83][84]. 58

2.13 Perspective alternative de l'IDWPT pour le multiplexage orthogonal de quatre sous-porteuses [83][84]. 58

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ix 2.14 Perspective de l'arborescence binaire complète du DWPT pour démultiplexer orthogonalement

quatre sous-porteuses [83][84]. 60

2.15 Perspective alternative du DWPT pour démultiplexer orthogonalement quatre sous-porteuses [83][84]. 60

2.16 Schéma de principe d'un système de communication numérique 61

2.17 Courbe de capacité du canal pour le canal AWGN 64

2.18 Code de bloc systématique 65

2.19 Codage par convolution 67

3.1 La simulation du canal sous bruit AWGN et sous AWGN plus le bruit impulsif 81

3.2 Architecture fonctionnel émetteur-récepteur 82

3.3 Banc de filtres de synthèse à 4 canaux 82

3.4 Banc de filtres d'analyse à 4 canaux. 83

3.5 Mode de transmission MtO 83

3.6 Architecture de transmission MtO 84

3.7 Signaux émis en MtO 84

3.8 Signal reçu après DWPT de l’utilisateur 2 85

3.9 BER pour un canal AWGN en MtO 8 utilisateurs 86

3.10 BER pour un canal industriel en MtO 8 utilisateurs 87

3.15 Mode de transmission OtM 90

3.16 Architecture de transmission OtM 90

3.17 BER pour un canal AWGN en OtM 8 utilisateurs 91

3.18 BER pour un canal industriel en OtM 8 utilisateurs 92

4.1 Architecture de communication avec codage. 97

4.2 BER dans un canal AWGN sans codage, avec codage convolutif et codage Reed Solomon pour 8 récepteurs en mode OtM. 98

4.5 BER dans un canal industriel à R=50 sans codage, avec codage convolutif et codage Reed Solomon pour 8 récepteurs en mode OtM. 100

4.8 BER dans un canal AWGN sans codage, avec codage convolutif et codage Reed Solomon pour 8 utilisateurs en mode MtO. 103

4.9 BER dans un canal AWGN sans codage, avec codage convolutif et codage Reed Solomon pour 16 utilisateurs en mode MtO. 103

4.10 BER dans un canal AWGN sans codage, avec codage convolutif et codage Reed Solomon pour 32 utilisateurs en mode MtO 104

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x 4.11 BER dans le canal industriel sans codage, avec codage convolutif et codage Reed Solomon pour 8 utilisateurs en mode MtO 104 4.12 BER dans le canal industriel sans codage, avec codage convolutif et codage Reed Solomon pour 16 utilisateurs en mode MtO 105 4.13 BER dans le canal industriel sans codage, avec codage convolutif et codage Reed Solomon pour 32 utilisateurs en mode MtO 105 4.14 Architecture de communication avec combinaison de codage 107 4.15 Exemple d'entrelacement matriciel 107 4.16 Comparaison des performances SNR pour un BER de 0.1 dans un canal AWGN sans codage, avec codage convolutif, codage Reed Solomon et combinaison des codages en mode OtM 108

4.17 Comparaison des performances SNR pour un BER de 0.1 dans le canal industriel sans codage, avec codage convolutif, codage Reed Solomon et combinaison des codages en mode OtM 108 4.18 Comparaison des performances SNR pour un BER de 0.1 dans un canal AWGN sans codage, avec codage convolutif, codage Reed Solomon et combinaison des codages en mode MtO 108 4.19 Comparaison des performances SNR pour un BER de 0.1 dans le canal industriel sans codage, avec codage convolutif, codage Reed Solomon et combinaison des codages en mode MtO 108 4.20 Comparaison des performances des différentes combinaison de RS dans un canal AWGN 111 4.21 BER dans un canal AWGN avec la combinaison des CC, RS et RS raccourcis pour le mode OtM 112 4.22 BER dans le canal industriel avec la combinaison des CC, RS et RS raccourcis pour le mode OtM 112

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xi

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xii

Liste des tableaux

1.1 IEEE 802.15.4 Bande RF 11

2.1 Efficacité de la largeur de bande du MAQ pour différentes valeurs de 𝑀. 39

2.2 Bande passante de transmission et efficacité de la bande passante PSK pour différentes valeurs de 𝑀 43

2.3 Propriétés des familles d'ondelettes soutenues de manière compacte [74] [75] 52

3.1 Dispersion des retards 𝜏_𝑟𝑚𝑠réelles 77

3.2 Puissances simulés et retards des canaux LOS et NLOS [114] 77

3.3 Paramètres de simulation 86

4.2 SNR en dB à un BER linéaire fixe de 0,1 pour un canal AWGN et le canal industriel sous le mode OtM avec 8,16 et 32 récepteurs 101

4.4 SNR en dB à un BER linéaire fixe de 0,1 pour un canal AWGN et le canal industriel sous le mode MtO avec 8,16 et 32 utilisateurs 106

4.5 SNR en dB à un BER linéaire fixe de 0,1 pour un canal AWGN et le canal industriel sous les modes MtO et OtM 110

4.6 Taux de codage et capacité de correction des erreurs 111

4.7 SNR en dB à un BER linéaire fixe de 0,1 pour un canal AWGN et le canal industriel sous les modes OtM 112

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xiii

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Liste des acronymes

3GPP 3rd Generation Partnership Project

ACK Acknowledgement

ADU Application Data Unit

AMQP Advanced Message Queuing Protocol AMRT Accès multiple par répartition dans le temps ANSI American National Standards Institute APDU Application protocol data unit

APSDE Application support data entity

APSME Application support management entity

AMR Analyse multi-résolutions

ASK Amplitude Shift Keying

AWGN Additive white Gaussian noise

BER Bit Error Rate

BPSK Binary phase-shift keying

CAN Controller Area Network

CCI Commodity Channel Index

COAP Constrained Application Protocol CRC Contrôle de redondance cyclique CSMA Carrier Sense Medium Access

CSMA-CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance CWT Continuous wavelet transform

DCS Distributed control system DDS Data Distribution Service

DWPT Discrete wavelet packet transform DWT Discrete wavelet transform FEC Forward error correction

FFD Reduced Function Device

FSK Frequency-Shift Keying

GPS Global Positioning System

GTS Guaranteed Time Slot

HART Highway Addressable Remote Transducer

HPF High-pass filter

HTTP Hypertext Transfer Protocol

IDWPT Inverse discrete wavelet packet transform IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IETF Internet Engineering Task Force

IIC Industrial Internet Consortium IIOT Industrial internet of things

IOT Internet of things

ISM Industriel, scientifique et médical IWSN Industrial wireless sensor network

LAN Local Area Network

LDPC low-density parity-check

LLC Logical Link Control

LOS Line-of-sight

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LPF Low-pass filter

LPWAN Low Power Wide Area Network LR-WPAN Low Rate Wireless Personal Area

LTE Long Term Evolution

M2M Machine 2 machine

MAC Media Access Control

MCU Microcontrôleur

MDPQ Mobile Device Proficiency Questionnaire

MIC Message integrity code

MPDU MAC protocol data unit

MQTT Message Queuing Telemetry Transport NB-IOT Narrowband IoT

NLOS Non- line-of-sight

NRZ Non-retour à zéro

OFDM Orthogonal frequency-division multiplexing

OMG Object Management Group

OSI Open Systems Interconnection

PAN Personal Area Network

Pan ID Personal Area Network identification PDP Panneau de distribution de puissance

PDU Protocol Data Unit

PHY Couche physique

PLC Programmable logic controller PPDU PHY Protocol Data Unit

QoS Quality of service

RFD reduced function devices

SCADA Supervisory Control And Data Acquisition

SNR Signal-to-noise ratio

SPE Spatial Processe estimation TDMA Time-division multiple access UCMM unconnected messages

ULB Ultra large bande

UMTS Universal Mobile Telecommunications System

UWB Ultra wideband

WAN Wide Area Network

WLAN Wireless Local Area Network WPAN Wireless personal Area Network

WPM Wavelet packet modulation

WPT Wavelet packet transform

WSN Wireless sensor network

XMPP Extensible Messaging and Presence Protocol

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xvii

Avant propos

Ce projet de thèse effectué sous la direction du professeur Fabrice Monteiro et la co-direction du professeur Abbas Dandache. Les travaux ont été menés dans le laboratoire LGIPM (Laboratoire de Génie Informatique, de Production et de Maintenance) au sein de l’équipe ASC (Architectures des Systèmes Complexes coopératifs embarqués sûrs).

Les travaux précédents de notre équipe ont fait l’objet de plusieurs thèses et publications se focalisant sur les architectures dédiées au traitement des codes correcteurs d’erreurs, les architectures de processeurs, les architectures de réseaux sur puce et les architectures pour les transmissions sans fil à haut débit et à faible coût énergétique, adaptés pour les réseaux de capteurs sans fil WSN et réseaux de capteurs industriels sans fil IWSN, en se focalisant sur les aspects performances, fiabilités et configurabilités.

Cette étude se veut d’être une contribution aux travaux précédents de l’équipe, notamment le travail du Dr Mohamed Tabaa qui s’inscrit dans le domaine des réseaux de capteurs par radio impulsionnelle exploitant la technologie ULB-RI, ainsi que le travail du Dr Mouhamad Chehaitly qui a développé une architecture numérique adaptative pour les systèmes de transmission sans fil fiables utilisant la modulation par paquets d’ondelettes discrètes, et en fin le travail du Dr Safa Saadaoui modélisant un canal industriel de transmission avec une architecture fonctionnelle basée sur les ondelettes utilisant la transformé inverse par paquets d’ondelettes discrètes IDWPT dans la transmission, et la transformé par paquets d’ondelettes discrètes à la réception.

Ainsi, nous avons proposé dans notre travail des solutions pour améliorer le rendement de notre architecture, en particulier l’intégration des codes correcteurs d’erreurs pour réduire l’impact du bruit sur les transmissions dans les milieux industriels, par conséquent renforcer la fiabilité du système, en ajoutant à cela l’exploitation de plusieurs scénarios et techniques de transmission multi-utilisateur pour de meilleures performances et une configurablité adaptés aux milieux industriels.

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Introduction générale

Avec le succès de ces dernières années des technologies sans fil dans l’électronique grand public, des technologies sans fil standard sont envisagées pour un déploiement dans les environnements industriels également. Les applications industrielles impliquant des sous-systèmes mobiles ou simplement le désir d’économiser le câblage rendent les technologies sans fil attrayantes. Néanmoins, ces applications sont souvent soumises à des exigences strictes en matière de fiabilité et de délais. Dans les environnements câblés, la synchronisation et la fiabilité sont bien assurées par les systèmes de bus de terrain (qui sont une technologie mature conçue pour permettre la communication entre les contrôleurs numériques et les capteurs et actionneurs en interface avec un processus physique). Lorsque des liaisons sans fil sont incluses, les exigences en matière de fiabilité et de synchronisation sont nettement plus difficiles à satisfaire, en raison des propriétés défavorables des canaux radio.

L’automatisation industrielle est l’un des anciens domaines qui a récemment fait l’objet de nombreuses recherches et études sur les communications et réseaux de capteurs sans fil. Le WSN offre une solution alternative peu coûteuse, nécessitant peu de maintenance, facile à installer et à utiliser, flexible et évolutive pour les systèmes câblés actuels de l’industrie. Néanmoins, les exigences du WSN pour l’industrie par rapport au WSN général ont conduit à l’émergence des réseaux de capteurs sans fil industriels IWSN. Ils ont pour but de fournir les réseaux WSN à l’environnement industriel difficile sans réduire les paramètres de qualité nécessaires qui doivent être respectés ; en d’autres termes, fournir une communication sans fil fiable, robuste et rapide pour les applications critiques malgré les défis possibles dus à la nature de l’environnement industriel tels que la propagation par trajets multiples causés par des obstacles, le bruit d’autres dispositifs, l’interférence et la coexistence dans la bande ISM.

Le terme « usine intelligente » est apparu comme une révolution industrielle en raison des avancées technologiques qui ont émergé. Le concept de fabrication intelligente apparaît en Allemagne comme la 4^ème révolution industrielle (Industrie 4.0). Sa principale portée est la mise en œuvre de la communication des machines, à la fois verticalement et horizontalement dans la hiérarchie de fabrication par l’intermédiaire de l’Internet des objets (IoT). En outre, il s’appuie sur les visions et les outils des précédents paradigmes de fabrication, allant des machines à faible coût et dédiées aux machines très variées et flexibles, mais promettant de nouveaux niveaux de réactivité, de flexibilité et de productivité en intégrant l’utilisation des IWSN. Dans le travail de cette thèse, nous avons proposé une architecture de communication sans fil numérique fonctionnelle pouvant opérer dans un milieu industriel fortement bruité, et qui est basé sur l’utilisation de la modulation par ondelettes, renforcé par l’utilisation des codes correcteurs d’erreurs.

Cette recherche peut potentiellement résoudre la question de la recherche d’un système de modulation plus efficace sur le plan de l’utilisation de la bande passante, de complexité et de meilleures performances, dont les performances peuvent être supérieures à celles des systèmes actuels. La modulation par paquets d’ondelettes (WPM) s’est avérée être une technique efficace avec des caractéristiques intéressantes comme son adaptabilité et sa flexibilité et ses caractéristiques améliorées par rapport à l’OFDM. Grâce à la WPT et des bancs de filtres, on est capable de générer des impulsions orthogonales en fréquence et en temps permettant de les intégrer dans des systèmes de communications sans fil souples à base de modulation multiporteuse. Le choix de l’onde adéquate permet d’atteindre l’optimum grâce à la propriété de la multirésolution temps/fréquence des systèmes. Avec cela, s’ajoute

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xx l’utilisation de la transformée en paquets d’ondelettes discrètes, qui permet de réduire significativement la sensibilité aux interférences subite dans le canal de propagation, au moyen de la caractéristique d’orthogonalités. Les environnements industriels bruités s’accompagnent de contraintes difficiles à affronter, telles que le retard dû aux effets de réflexion, de diffraction et de diffusion, le bruit provenant des champs électriques et le taux d’erreur sur les bits (BER) relativement élevé. Ces inconvénients ont des effets destructeurs sur les performances de la transmission de données sans fil. Ce problème peut être résolu par l’utilisation des codes correcteurs d’erreurs. Le codage FEC a le potentiel d’accroître la fiabilité en améliorant les BER, ce qui permet de réduire le nombre de retransmissions nécessaires. On peut alors obtenir à la fois une amélioration de la latence des nœuds du réseau. Pour maximiser l’efficacité des codes FEC, la puissance du code doit être adaptée à l’état actuel du canal. Plus l’état du canal est mauvais, plus le code FEC doit être puissant. Cependant, pour obtenir une stratégie de codage optimisée, nous avons travaillé dans cette thèse sur deux types de codes largement utilisés dans les IWSN, les Reed Solomon et les codes convolutifs, que nous avons adaptés à notre architecture pour avoir de meilleurs résultats.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à la comparaison des performances des codes correcteurs d’erreurs sous plusieurs combinaisons, appliqué à un système de communication multi-utilisateur basé sur la modulation par ondelettes, destiné à être utilisé dans un environnement industriel fortement bruité.

L’architecture sera exploitée sous deux modes, le premier est le One to Many OtM avec une communication entre un émetteur et plusieurs récepteurs, le second est le mode Many to One MtO avec une communication entre plusieurs émetteurs et un récepteur. Le fonctionnement de l’architecture sera simulé dans un canal industriel proposé dans nos travaux de recherche, qui s’approche le mieux d’un vrai environnement bruité, et son rendement sera amélioré grâce à l’utilisation des deux codes précédemment mentionnés, une technique de combinaison de ces deux codes sera aussi proposée tout en utilisant la méthode de raccourcissement des Reed Solomon pour améliorer et optimiser la performance et le rendement énergétique de l’architecture.

Ce rapport est composé de 4 chapitres décrits ci-dessous :

Le premier chapitre est un état de l’art qui décrit l’évolution de la communication numérique industrielle, en passant par une vue d’ensemble des technologies de communication filaire industrielle vers la non-filaire. Nous allons tout d’abord décrire les standards utilisés et les problématiques rencontrées dans le milieu industriel, puis nous allons discuter des réseaux de capteurs sans fil industriels IWSN, leur rôle dans les environnements industriels, les problèmes qui apparaissent lors de leur déploiement ainsi que les technologies et les mises en œuvre actuelles du sans-fil. Te nous allons finir par une présentation de l’industrie 4.0 en passant par l’internet des objets IOT et l’internet industriel et ces standards.

Le chapitre 2 commence par présenter les concepts de base des systèmes de modulation numérique les plus répandus dans les réseaux de capteurs sans fil, des schémas de modulation et de démodulation expliqués en détail. On présente ensuite le concept de base des ondelettes, puis la définition de la transformée continue et discrète et l’analyse multirésolutions et bancs de filtres. On présente ensuite certaines propriétés importantes des familles d’ondelettes. Les paquets d’ondelettes discrètes sont ensuite définis et la représentation de la transformation par paquet d’ondelettes discrètes et de la transformation inverse est également donnée. Ce chapitre finira par une introduction au concept des codes correcteurs d’erreurs, avec leur rôle dans l’amélioration des performances des systèmes de communications et Réseaux de capteurs sans fil.

Le chapitre 3 commencera par fournir un contexte théorique des conditions des milieux industriels bruités, et de ses principales caractéristiques avec une présentation des différentes contraintes de ce type de milieu, en expliquant en détail le modèle de canal industriel que nous allons utiliser tout au long des simulations. La partie suivante portera sur notre proposition architecturale au niveau fonctionnel, ayant pour but d’offrir une bonne exploitation de modulation par paquets d’ondelettes discrètes et

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xxi codage/décodage par des codes correcteurs d’erreur, tout en visant la minimisation de la consommation pour une utilisation multiutilisateur, avec deux modes d’exploitation : Many to One (MtO) pour une utilisation depuis plusieurs utilisateurs vers un seul récepteur, et One to Many (OtM) pour une utilisation avec un seul utilisateur vers plusieurs récepteurs. Les performances de notre architecture seront évaluées en présence de bruit additif gaussien et bruit industriel.

Le dernier chapitre portera principalement sur la recherche d’une bonne configuration de codage avec les codes de correction d’erreurs, principalement les Reed Solomon et les codes convolutifs, pour améliorer la fiabilité de notre architecture de communication numérique. Dans ce chapitre, notre architecture sera testée et simulée pour différentes configurations utilisateurs/codages avec nos deux modes de transmissions. Le choix de l’ondelette optimale a été déjà choisie dans une étude précédente.

Par la suite, plusieurs simulations avec les différentes modes du canal de propagation industriel seront effectuées dans l’objectif d’améliorer la fiabilité de notre architecture multiutilisateur avec l’utilisation d’un code correcteur d’erreur à la fois. Les performances sur le plan des taux d’erreur binaire (BER) seront évaluées. Deux techniques seront exploitées pour renforcer la robustesse de l’architecture de communication, en utilisant une combinaison de deux codes correcteurs d’erreur différents, ensuite l’utilisation des codes Reed Solomon raccourcis pour de meilleurs résultats.

Enfin, nous terminerons ce travail par une conclusion générale ainsi que des perspectives et travaux futurs.

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1

Première partie

État de l’art et étude théorique

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2

Chapitre 1

État de l’art

1.1. Introduction ... 3 1.2. Vue d’ensemble des technologies de communication industrielles filaire ... 3 1.2.1. Architecture des réseaux filaires d’automatisations industrielles ... 4 1.2.2. Réseaux et configuration des systèmes de communications industriels existant ... 5 1.2.2.1. Protocoles Ethernets industriels... 5 1.2.3. Exigences et limites des réseaux filaires : ... 8 1.3. Evolution vers la communication sans fil industriel ... 8 1.3.1. Technologies de communications et réseaux de capteurs sans fil WSN ... 9 1.3.2. Standard IEEE 802.15.4 pour les communications sans fil ... 10 1.3.3. Avantages des réseaux non filaires ... 12 1.3.4. Problèmes et contraintes des communications sans fil ... 13 1.4. Réseaux de capteurs industriels sans fil IWSN ... 14 1.4.1. Architecture des plateformes IWSN ... 18 1.4.1.1. Topologie du réseau : ... 18 1.4.1.2. Schémas d'accès aux canaux ... 20 1.4.1.3. Couches d'interconnexion de systèmes ouverts (OSI) des IWSNs ... 20 1.4.2. Objectif des IWSN ... 23 1.4.3. WirelessHART ... 24 1.4.4. ISA100.11a ... 26 1.4.5. 6LoWPAN ... 27 1.4.6. ZIgbee ... 28 1.5. Les IWSN dans l’Internet des Objets Industriels IIOT ... 29 1.5.1. Internet des Objets connectés IOT... 29

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3 1.5.2. Industrie 4.0 ... 31 1.5.3. Internet industriel et l’IOT ... 32 1.5.4. Rôles des IWSN dans l’internet industriel ... 33 1.5.5. Plateformes réseaux dédiés à l’IIOT ... 34 1.5.5.1. SIGFOX ... 34 1.5.5.2. LoRaWAN ... 34 1.5.5.3. NB-IoT ... 34 1.5.6. Protocoles de communication IOT : ... 35 1.5.6.1. MQTT ... 35 1.5.6.2. XMPP ... 35 1.5.6.3. AMQP ... 35 1.5.6.4. CoAP ... 35 1.5.6.5. DDS ... 35 1.6. Conclusion ... 35

1.1. Introduction

Grâce au succès et au développement constant des technologies sans fil, de plus en plus d’applications pour les réseaux sans fil apparaissent chaque jour dans le domaine industriel, donnant forme au concept d’usine intelligente où les capteurs et les actionneurs peuvent interagir intelligemment entre eux afin de créer des étages de fabrication intelligents avec une gestion plus efficace des ressources, des pertes d’énergie minimales et des capacités d’autorécupération en cas de défaillance. C’est pour cela que ce chapitre représente un état de l’art de l’évolution de la communication industriel depuis en premiers lieux la technologie de communication filaire avec une présentation de son concept, ses architectures et ses limites. Par la suite, nous allons décrire de la même manière l’évolution vers les technologies de communications sans fil en présentant ses avantages et inconvénients. Ce qui ouvrira après une partie sur les réseaux industriels de capteurs sans fil et ses architectures principales. Et pour conclure, nous allons parler du rôle que jouent les IWSN dans l’internet des objets industriels.

1.2. Vue d’ensemble des technologies de communication

industrielles filaire

Dans presque toutes les usines et tous les sites industriels, les liens de communication transportent des informations vitales entre les machines, les commandes et les dispositifs de surveillance. Des mises à jour périodiques à la gestion continue des processus et de la fabrication, un flux de données stable et sûr est essentiel aux opérations. Une grande partie des informations de contrôle et d’état transférées dans les environnements industriels — position de l’actionneur, température ou niveaux de liquide, par exemple — sont transmises par de petites trames qui nécessitent une largeur de bande et une vitesse de connexion relativement faibles. À l’autre bout, la transmission de fichiers volumineux, tels que les journaux d’activité d’un cycle de production, nécessite le déplacement très efficace d’un grand nombre de données. Un réseau de communication industriel est une épine dorsale pour toute architecture de système d’automatisation, car il constitue un moyen puissant d’échange de données, de contrôle des données et de flexibilité pour connecter divers appareils.

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4 L'utilisation de réseaux de communication numériques dans les industries au cours de la dernière décennie a permis d'améliorer la précision et l'intégrité des signaux numériques de bout en bout. Ces réseaux, qui peuvent être soit un LAN (Local Area Network, qui est utilisé dans une zone limitée) soit un WAN (Wide Area Network, qui est utilisé comme système global), permettent de communiquer de grandes quantités de données en utilisant un nombre limité de canaux. La mise en réseau industrielle a également conduit à la mise en œuvre de divers protocoles de communication entre des contrôleurs numériques, des appareils de terrain, divers outils logiciels liés à l'automatisation et également à des systèmes externes.

La communication de données fait référence à la transformation d'informations ou de données, le plus souvent sous forme numérique, d'un émetteur à un récepteur par une liaison (qui peut être un fil de cuivre, un câble coaxial, une fibre optique ou tout autre support) reliant ces deux éléments. Les réseaux de communication traditionnels sont utilisés pour permettre la communication de données entre les ordinateurs, les ordinateurs et leurs périphériques et autres dispositifs. D'autre part, le réseau de communication industriel est un type spécial de réseau conçu pour assurer le contrôle en temps réel et l'intégrité des données dans des environnements difficiles sur de grandes installations.

Les exemples de réseaux de communication industriels comprennent Ethernet, Modbus, DeviceNet, ControlNet, etc. Les trois principaux mécanismes de contrôle utilisés dans le domaine de l'automatisation industrielle sont les automates programmables PLC, le contrôle et l'acquisition de données SCADA et le système de contrôle distribué DCS. Tous ces éléments concernent les instruments de terrain, les appareils de terrain intelligents, les PC de contrôle de supervision, les contrôleurs d'E/S distribués et les combinaisons interfaces homme machine IHM.

1.2.1. Architecture des réseaux filaires d’automatisations industrielles

Les systèmes de communications industrielles peuvent être très complexes, et ils sont généralement structurés en plusieurs niveaux hiérarchiques. Chaque niveau hiérarchique a un niveau de communication approprié, ce qui impose des exigences différentes au réseau de communication. La figure 1.1 présente un exemple de la hiérarchie d’un système d’automatisation industrielle.

Les différents niveaux doivent répondre aux différentes exigences d’un niveau particulier. Il est donc évident qu’aucun réseau de communication ne répond à lui seul aux exigences de chaque niveau. Par conséquent, les différents niveaux peuvent utiliser des réseaux différents en fonction des exigences telles que le volume de données, la transmission de données, la sécurité des données, etc. En fonction de leur fonctionnalité, les réseaux de communication industriels sont classés en trois niveaux généraux qui sont examinés ci-dessous.

- Niveau du terrain : Le niveau le plus bas de la hiérarchie de l'automatisation est le niveau du terrain, qui comprend les appareils de terrain tels que les actionneurs et les capteurs. Les appareils de terrain élémentaires sont parfois classés comme le sous-niveau de l'élément. La tâche des appareils de terrain consiste à transférer des données entre le produit fabriqué et le processus technique. Les données peuvent être à la fois binaires et analogiques. Les valeurs mesurées peuvent être disponibles pour une courte période ou pour une longue période. Les réseaux industriels de terrain constituent une grande catégorie, qui se distingue par des caractéristiques telles que la taille des messages et le temps de réponse. En général, ces réseaux connectent des dispositifs intelligents qui travaillent en coopération dans un réseau distribué à temps critique. Ils offrent des capacités de diagnostic et de configuration de niveau supérieur, généralement au prix d'une intelligence, d'une puissance de traitement et d’un prix plus élevé.

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5 La technologie de communication la plus sophistiquée utilisée à ce niveau est un bus de terrain (par exemple ProfiNET, Profibus, HART, ControlNet, DeviceNet, CAN Bus et Foundation Field Bus), qui permet un contrôle réparti entre les appareils de terrain et les contrôleurs intelligents.

Figure 1.1. Un exemple de la hiérarchie d'un système d'automatisation industrielle.

- Niveau de contrôle : Au niveau du contrôle, le flux d'informations consiste principalement en un chargement de programmes, de paramètres et de données. Dans les processus où les temps d'arrêt des machines et les réajustements sont courts, cela se fait pendant le processus de production. Dans les petits contrôleurs, il peut être nécessaire de charger des sous-programmes au cours d'un cycle de fabrication. Cela détermine les exigences en matière de synchronisation.

Il peut être divisé en deux : les sous-niveaux de cellule et de zone.

- Niveau d'information : Il s'agit du niveau supérieur du système d'automatisation industrielle qui recueille les informations de son niveau inférieur, c'est-à-dire le niveau de contrôle. Il traite de grands volumes de données qui ne sont ni en usage constant ni critiques en termes de temps.

Des réseaux à grandes échelles existent à ce niveau. Les réseaux étendus Ethernet sont donc couramment utilisés comme réseaux au niveau de l'information pour l'échange d'informations de planification et de gestion des usines. Parfois, ces réseaux peuvent se connecter à d'autres réseaux industriels via des passerelles.

1.2.2. Réseaux et configuration des systèmes de communications industriels

existant

Il existe de nombreux réseaux de communication différents conçus pour interconnecter des appareils de terrain industriels et divers modules d’E/S. Ils sont décrits sur la base de certains protocoles. Un protocole est un ensemble de règles qui sont utilisées dans la communication entre deux ou plusieurs appareils. Sur la base de ces protocoles, les réseaux de communication sont classés en plusieurs types.

Certaines normes de communication industrielles courantes et populaires sont décrites ci-dessous.

1.2.2.1. Protocoles Ethernets industriels

sous-niveau de la zone

sous-niveau cellulaire

sous-niveau de processus

Capteurs et actionneurs

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6 Tout comme les protocoles de bus de terrain, l'Ethernet industriel est un protocole de communication bidirectionnel entièrement numérique. Actuellement, les protocoles de bus de terrain sont plus populaires que l'ethernet dans la section des protocoles industriels entièrement numériques, mais la popularité de l'ethernet augmente chaque année. L'ethernet industriel est largement utilisé depuis des années déjà au niveau du routage des systèmes de traitement. L'ethernet industriel utilise une méthode de poignée de main pour confirmer que les commandes sont reçues par l'appareil. Le contrôleur continue à envoyer la commande jusqu'à ce que le dispositif récepteur vérifie la commande avec une réponse.

Les complications qui ont empêché une plus large utilisation de l'Ethernet industriel sont souvent des éléments environnementaux sévères des usines de traitement. L'Ethernet a été adapté pour la première fois dans un environnement de bureau où la saleté, les vibrations ou la température ne sont pas un problème. Lorsque l'Ethernet est utilisé dans un environnement industriel, il peut être nécessaire d'utiliser des composants plus robustes, comme des connecteurs avec une protection IP67 [1].

L'un des avantages de l'Ethernet industriel par rapport aux protocoles de bus de terrain est qu'une vitesse de transfert de données plus élevée de 100 Mbps permet un contrôle plus précis des applications et réduit le risque de collision de données, ce qui est particulièrement important dans les processus où la vitesse et les temps de réponse sont critiques. En outre, l'Ethernet industriel permet d'étendre considérablement les réseaux grâce à la mise en cascade des commutateurs [2].

a. HART :

Le protocole HART est né du besoin économique de combiner les propriétés numériques et la boucle de courant 4-20mA dans un seul câble. Il a été développé à l'origine par Emerson Electric Co. dans les années 1980, mais a ensuite été complètement ouvert et les droits ont été transférés à Field COMM Group en 2015. Field COMM Group est le résultat de la fusion des actifs de Fieldbus Foundation et de la HART Communication Foundation, sa mission est de promouvoir des normes mondiales pour l'intégration des dispositifs numériques aux systèmes sur site et de diriger le développement d'un modèle d'information unifié des dispositifs d'automatisation des processus sur le terrain.

Au fil des ans, le protocole HART a fait l'objet de plusieurs révisions pour améliorer ses capacités et ajouter de nouvelles fonctionnalités sans compromettre sa compatibilité avec les anciens appareils. La révision 4 a introduit l'identification facultative du fabricant, qui est devenue obligatoire plus tard dans la version 5. Avec la révision 6, les caractéristiques électriques des actionneurs et autres dispositifs de sortie ont été définies, davantage d'informations d'état ont été ajoutées aux dispositifs et de nouvelles couches physiques ont été introduites pour une communication plus rapide entre le dispositif et le(s) hôte(s). La dernière révision est la révision 7, qui a introduit la couche physique radio WirelessHART 2.4GHz et la transmission de messages HART sur les réseaux basés sur le protocole Internet (HART- IP) [3].

b. DeviceNet :

DeviceNet est un réseau numérique multipoint permettant de connecter des dispositifs industriels simples (capteurs et actionneurs) et des dispositifs de haut niveau (automates programmables et ordinateurs). Il est généralement utilisé dans l'automatisation industrielle et de processus, principalement aux États-Unis, et il gagne maintenant en popularité en Europe, au Japon et en Chine. DeviceNet suit le modèle OSI (Open System Interconnection) qui spécifie sept cadres de couches pour la mise en œuvre des protocoles de réseau.

Les couches de liaison physique et de données de DeviceNet sont définies par la spécification CAN.

CAN a été développé par Bosch en Allemagne pour le marché automobile européen afin de remplacer la complexité du câblage coûteux pour un réseau automobile à faible coût. DeviceNet utilise une topologie tronc/ligne/départ, ce qui signifie que la source d'alimentation et le câblage du signal se

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7 trouvent dans un bus à paires torsadées séparé. Grâce à cette topologie, les nœuds peuvent être retirés et insérés avec le réseau en marche, ce qui permet de réduire les temps d'arrêt de la production.

L'alimentation électrique du réseau est fournie par une source d'énergie connectée directement au réseau, qui alimente les émetteurs-récepteurs CAN des nœuds.

Devicenet est un réseau basé sur la connexion. Chaque nœud de DeviceNet est établi par un UCMM³ ou un port non connecté du groupe 2. En outre, ces nœuds peuvent être un client, un serveur ou les deux.

Les connexions de dispositifs clients typiques ́s produisent des demandes et consomment des réponses.

Les dispositifs de serveur typiques effectuent le contraire, consomment les demandes et produisent des réponses. Les télégrammes DeviceNet utilisent l'identifiant CAN 11-bits uniquement pour identifier chacun des messages. Ces télégrammes sont divisés en quatre groupes. DeviceNet utilise le protocole industriel ouvert CIP dans la couche application, ce protocole est strictement orienté vers les objets et il est également utilisé dans ControlNet et EtherNet/IP ; cela signifie qu'il est indépendant du support physique et de la couche liaison de données.

c. Modbus :

Modbus est largement utilisé dans l'industrie, généralement pour transmettre des signaux provenant d'appareils d'instrumentation et de contrôle vers un contrôleur principal ou un système de collecte de données. Les données sont envoyées par bits binaires à un rythme défini : le débit en bauds.

Indépendamment de la couche, une simple unité de données de protocole (PDU) est utilisée, qui spécifie comment les données sont transférées. Selon l'utilisation de la couche, des champs supplémentaires sont utilisés, il s'agit de l'ADU (Application Data Unit). Le Modbus utilise des méthodes de demande/réponse pour communiquer et les actions sont spécifiées par des codes de fonction.

Une requête lancée par un client vers un serveur contiendra des informations sur l'adresse du serveur, le format de cette adresse dépend de la couche mais la règle de base est de s'assurer que chaque appareil a une adresse unique. Le code de fonction est utilisé pour spécifier au serveur l'action à effectuer, il est codé en 1 octet allant de 1 à 255 décimales. Les champs de données sont des informations supplémentaires que le serveur peut utiliser en fonction du code de fonction reçu. Le champ de données peut être vide, et dans ce cas cela signifie que le serveur n'a pas besoin d'informations supplémentaires, seul le code de fonction spécifie l'action. Par exemple, pour demander des données à un appareil, le code de fonction demandera de lire certains registres et le champ de données spécifiera lesquels. En cas de fonctionnement correct, le serveur lancera une réponse contenant le même code de fonction et dans le champ de données la réponse de données, par exemple les données demandées. En cas d'erreur, le champ de données contient un code d'exception qui peut être utilisé par le client. Enfin, des contrôles d'erreurs supplémentaires peuvent également exister selon l'ADU.

L'utilisation du protocole Modbus permet à des appareils tiers de se connecter aux onduleurs à condition qu'une "carte de registre" soit fournie pour comprendre comment les données sont organisées.

Cependant, le manque de standardisation est un réel problème : pour la programmation, un code différent doit être écrit pour chaque modèle d'onduleur car tous peuvent avoir une cartographie spécifique et il est nécessaire de s'appuyer sur les documents fournis par le fabricant qui ne sont pas toujours mis à jour au même rythme que les onduleurs.

d. Profibus PA :

Le protocole PROFIBUS PA est l'un des nombreux protocoles Profibus qui sont construits sous l'organisation mère de Profibus International. Ce qui différencie Profibus PA des autres protocoles est qu'il est conçu spécifiquement pour l'automatisation des processus. Profibus PA a été conçu pour fonctionner dans des environnements dangereux et pour être utilisé avec Profibus DP par l'intermédiaire du coupleur DP/PA. Le Profibus PA combine la méthodologie maître-esclave et le passage de jetons dans un réseau maître-esclave, où les maîtres envoient des commandes aux esclaves et les esclaves

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8 répondent en conséquence. Chaque segment de réseau du Profibus PA contient jusqu'à 31 appareils esclaves. La topologie commune du Profibus est la topologie de bus, où tous les dispositifs sont connectés par un nœud à un seul câble. L'inconvénient de cette topologie est que si le câble est rompu, l'ensemble du segment de bus tombe en panne. Une autre topologie commune est la topologie en étoile, où chaque appareil est connecté indépendamment à un contrôleur central. La topologie en étoile nécessite plus de câble mais est plus résistante aux pannes [4].

1.2.3. Exigences et limites des réseaux filaires :

Bien que les réseaux filaires industriels aient fait l’objet de plusieurs années de développements et ont été largement utilisé, en plus des nombreux avantages à mettre en œuvre ces réseaux par rapport ou parallèlement à d'autres déploiements, les limitations sont nombreuses :

- Limitations physiques : Les fils se rompent et les mauvaises connexions peuvent provoquer des "ondes stationnaires" qui dégradent les performances. En outre, les fils captent le bruit électronique.

- Coût d'installation et de maintenance : La conception et l'installation du câblage sont généralement des tâches longues et coûteuses. L'entretien du câblage extérieur oblige généralement les techniciens à monter sur un poteau ou à descendre dans un trou, juste pour accéder au fil. Et puis, il peut être extrêmement difficile de localiser le problème.

- Incompatibilité des protocoles : Les systèmes existants dans les installations industrielles sont souvent liés à des protocoles incompatibles. Connecter ces systèmes et les faire communiquer entre eux est, au mieux, une tâche difficile.

- Manque de mobilité et d'adaptabilité : Lorsque les produits ou les processus changent, les installations de production doivent changer. Le câblage doit être déplacé ou réacheminé pour s'adapter aux changements. Cela peut représenter un énorme casse-tête et une dépense considérable.

- Distance et espace limités : Plus le fil est long, plus il devient sensible au bruit électrique et plus il sera difficile de localiser les problèmes lorsqu'ils surviennent. Les fils peuvent être endommagés, sertis et coupés dans des endroits difficiles à trouver. Si le fil doit passer à l'extérieur, il est difficile de le protéger contre les conditions climatiques extrêmes. Il n'est pas non plus pratique de toronner des fils dans des endroits où ils pourraient être exposés à des températures extrêmes, gêner le déplacement de machines, etc.

- Logistique du câblage : Dans les configurations sophistiquées, la complexité du câblage peut être écrasante. Cela signifie un temps d'installation plus long et des délais de réparation plus longs.

1.3. Evolution vers la communication sans fil industriel

Ces dernières années, la surveillance et le contrôle des processus industriels utilisant la communication numérique sans fil ont suscité beaucoup d'intérêt dans l'industrie de transformation. Une usine de traitement utilise une grande quantité de capteurs et d'actionneurs pour surveiller et contrôler le processus. La plupart des systèmes de contrôle en usage aujourd'hui sont câblés, ce qui présente un certain nombre d'inconvénients. La quantité de fils requis dans une plante typique est écrasante. La flexibilité est limitée, car l'ajout de nouveaux appareils au système nécessite l'installation de nouveaux fils entre le contrôleur et l'appareil. Pour améliorer la situation, de nombreux chercheurs étudient comment faire des réseaux de capteurs sans fil industriels IWSN une option viable pour la surveillance et le contrôle des processus industriels. Un IWSN se compose de plusieurs nœuds de capteurs répartis dans un environnement, où ils surveillent généralement diverses propriétés. Comme les nœuds dans un

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9 IWSN sont souvent alimentés par des piles et la durée de vie requise est souvent de l'ordre de plusieurs années, les exigences énergétiques sont très strictes. Cela impose de grandes exigences aux technologies des capteurs sans fil.

1.3.1. Technologies de communications et réseaux de capteurs sans fil WSN

Les industries des communications, de l’informatique et de l’électronique grand public se regroupent rapidement, créant des produits et des services qui permettent d’établir des liens et d’échanger des données sans utiliser des fils, mais les communications sans fil ne sont pas nouvelles, les premières communications sans fil ont été établies entre les navires et le rivage, puis il y a eu l’apparition de la radiodiffusion qui a fini par être le moyen dominant de diffusion des nouvelles et des divertissements. Au cours de ces années, les technologies radio ont progressé rapidement et comprenaient de nombreuses autres applications dans les domaines de la défense nationale et de la sécurité publique, ainsi que dans le monde des affaires et de l’industrie. Il existe aujourd’hui trois principaux types de communications sans fil, les réseaux étendus sans fil appelés WAN, les réseaux locaux sans fil appelés WLAN, qui jouent tous les deux un rôle parallèle dans le monde des réseaux, et les réseaux personnels PAN qui sont plus aptes à être exploités dans les WSNs qui nous intéressent.

Un réseau de capteurs sans fil consiste en un ensemble de dispositifs qui recueillent, communiquent et relaient les données des capteurs vers un centre de stockage où les informations peuvent être manipulées, affichées et protégées pour une analyse ultérieure. Chaque dispositif est considéré comme un nœud du réseau, et certains nœuds ont plus de responsabilités que d’autres ; l’hétérogénéité du système dépend de l’application.

Ils ont été mis en place dès les années 1950 par la marine américaine ; il a été plus récemment utilisé pour surveiller les océans [5]. L'utilisation de WSN à faible puissance s'est avérée efficace pour la surveillance des environnements naturels extérieurs [6], des structures [7] et des machines [8]. Les systèmes de surveillance des machines sont plus souvent développés en tant que solutions sans fil afin de réduire la consommation d'énergie, les coûts de maintenance et la flexibilité de mise en œuvre.

L'utilisation de dispositifs de surveillance sans fil permet non seulement de réduire le nombre d'agents de maintenance, mais aussi de prévoir facilement et à distance les pannes de machines.

De nombreux systèmes de surveillance de l'habitat, comme ceux décrits dans [9], utilisent un grand nombre de nœuds dispersés dans une zone pour collecter périodiquement des quantités relativement faibles de données, telles que des relevés d'humidité ou de température. Des nœuds de plus haute responsabilité, ou coordinateurs, sont positionnés à la limite de la zone pour collecter les paquets de données du trafic. Les coordinateurs sont chargés de relayer les données vers le lieu de stockage, qui peut être un serveur, un ordinateur local ou une carte mémoire portable sur puce. Pour la surveillance des vibrations des machines, par rapport à l'humidité ou à la température, une quantité beaucoup plus importante de données doit être collectée (et transmise, si une analyse plus approfondie est nécessaire).

En outre, les environnements intérieurs des usines contiennent davantage de sources d'interférences telles que des objets métalliques, des lignes électriques à haute tension et d'autres appareils fonctionnant sur la même fréquence comme les téléphones portables.

Les WSN sont généralement construits à partir d'un réseau dense de nœuds dans une zone déterminée [9]. L'aspect pratique et la nécessité d'avoir un réseau dense dépendent de l'application. Par exemple, dans un grand habitat contrôlé périodiquement pour la température, l'humidité et la pression ambiante, un réseau dense et homogène est idéal. En effet, les nœuds ont tous la même fonction et une cartographie dense serait utile pour décrire la zone dans tous ses détails. Dans une usine de fabrication industrielle, cependant, un réseau dense n'est pas forcément la meilleure solution. Si les nœuds surveillent les vibrations et la température des machines, il n'est pas nécessaire de disposer de nœuds supplémentaires pour effectuer des mesures là où il n'y a pas de machines. Au lieu de cela, l'application

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10 pourrait impliquer l'introduction de nœuds redondants qui acheminent les informations autour des obstacles dans l'installation.

Dans tout réseaux de capteurs suivant le standard IEEE 802.15.4, il existe généralement jusqu'à trois types de classifications de dispositifs : nœud final, routeur et coordinateur, le standard sera détaillé juste après cette partie :

- Le nœud final est un dispositif qui n'effectue que les mesures des capteurs qu'il transmet aux routeurs ou aux coordinateurs de son voisinage. Il n'achemine ni ne relaie les informations transmises par ses voisins. Les nœuds finaux sont généralement des appareils à faible consommation d'énergie fonctionnant sur piles et qui passent la plupart de leur temps en sommeil profond ou dans un état de courant ultra faible (de l'ordre de micro-ampères). Ils contiennent un émetteur radio, une unité de traitement et des capteurs ou des connecteurs de capteurs.

- La classification des dispositifs de routage décrit généralement un nœud de capteur homogène aux dispositifs finaux du système, mais il est en outre capable de relayer les paquets de données des voisins autour de lui vers le coordinateur du réseau. Dans la plupart des applications de surveillance de l'habitat, chaque dispositif est à la fois un routeur et un nœud de capteur, de sorte que les dispositifs finaux ne sont visibles qu'à la limite de la zone surveillée. Le travail d'un routeur exige qu'il se réveille périodiquement pour relayer les paquets, ce qui augmente le nombre de transmissions qu'il effectue pendant le fonctionnement du système et épuise donc les ressources supplémentaires de la batterie. Plusieurs tentatives ont été faites pour optimiser les schémas de routage de données WSN afin de permettre aux nœuds de routage de consommer un minimum d'énergie [10].

- La classification de coordinateur fait référence à un dispositif qui contrôle le réseau. Ces dispositifs sont généralement équipés d'une double architecture de communication, agissant comme une passerelle entre un réseau et un autre (c'est-à-dire WSN et Internet). Ils sont parfois appelés "routeurs frontaliers" [11]. En effet, dans les applications de surveillance typiques, ces dispositifs existent à la frontière ou à l'extrémité de la zone surveillée et se connectent soit à l'internet, soit à l'ordinateur de l'utilisateur. Cette connexion à un réseau extérieur permet un stockage efficace des données collectées par l'ensemble du réseau mondial de surveillance des frontières. Les dispositifs de coordination peuvent être conçus pour établir des réseaux personnels (PAN) avec un numéro d'identification de réseau personnel (PAN ID), et plusieurs coordinateurs peuvent exister dans un WSN en utilisant des PAN ID distincts. Le coordinateur PAN est également l'appareil qui détermine le canal dans la largeur de bande allouée sur lequel communiquer avec les appareils environnants. Le saut de fréquence ou de canal est fréquemment étudié pour éviter d'avoir trop de dispositifs communiquant sur une fréquence à la fois [12]. Les coordinateurs PAN doivent disposer d'une radio pour communiquer avec les nœuds de capteurs WSN et disposent généralement d'une seconde forme de communication (c'est-à-dire USB, Ethernet ou Wi-Fi) pour stocker les données en toute sécurité sur un dispositif de stockage amovible, un intranet ou l'Internet. Comme le coordinateur est le goulot d'étranglement du flux de données sortant du WSN et entrant dans le stockage, il est généralement alimenté en permanence.

1.3.2. Standard IEEE 802.15.4 pour les communications sans fil

La norme IEEE 802.15.4 définit le protocole et l'interconnexion des appareils par communication radio dans un PAN en spécifiant les couches physiques PHY et de contrôle d'accès au support MAC, qui pourraient être utilisées par un large éventail de protocoles de couche supérieure.

Le domaine d'application que les réseaux basés sur cette norme peuvent couvrir varie des produits de consommation (par exemple, la télécommande commune pour les produits électroniques) et des

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11 systèmes d'automatisation et de sécurité résidentiels, aux soins de santé, à la surveillance des véhicules (par exemple, les capteurs de pression des pneus), à la surveillance des terres agricoles et aux systèmes de contrôle et de surveillance industriels.

Les bandes de fréquences sans licence diffèrent selon les régions du monde, de sorte que la norme IEEE 802.15.4 utilise trois bandes possibles, dont au moins une peut être utilisée en fonction de l'endroit où la norme est appliquée pour la mise en œuvre du réseau. Le tableau 1.1 montre les bandes de fréquence utilisées par la norme IEEE 802.15.4. Parmi les trois bandes, la bande de 2,4 GHz est largement adoptée car c'est la seule bande sans licence disponible dans le monde entier qui présente le débit de données le plus élevé et 27 canaux différents.

Tableau 1.1. IEEE 802.15.4 Bande RF

Bande RF Plage de freq. Débit de

données

Canaux Zone Geo.

868 MHz 868.3 20 kbps 0 -1 Europe

915 MHz 902-928 40 kbps 1-10 Amérique-

Australie

2400 MHz 2405-2480 250 kbps 11-26 Monde entier

La consommation d'énergie est une préoccupation majeure de l'article 802.15.4, afin de garantir une longue durée de vie des piles, l'énergie doit être prélevée à un taux extrêmement faible ou en petites quantités à un cycle d'utilisation de faible puissance, ce qui signifie que les appareils ne sont actifs que pendant une courte période. La norme permet aux appareils d'être inactifs pendant 99 % du temps, c'est pourquoi les débits de données pris en charge sont relativement élevés afin de minimiser le cycle de service des appareils.

a. Topologies :

La norme IEEE 802.15.4 comprend deux types d'appareils : les appareils à fonctions complètes (FFD) et les dispositifs à fonction réduite (RFD).

- FFD : ils sont capables d'acheminer les données du réseau entre les nœuds et fonctionnent également comme un RFD. Un coordinateur WPAN est une forme spéciale de FFD qui, en plus des capacités de routage, est responsable de la mise en place et de la maintenance du réseau.

- RFD : il s'agit d'un simple nœud terminal qui ne peut parler qu'à un FFD car ils n'ont pas de fonctionnalité de routage. Ils sont également appelés périphérique enfants car ils ont besoin d'un parent pour communiquer. Ils sont capables de passer par de longues périodes de sommeil car ils ne sont pas nécessaires à des fins de routage. En raison de leur faible fonctionnalité, ces dispositifs peuvent être déployés à un coût très faible.

Les FFD peuvent fonctionner selon trois modes, dont un Coordinateur PAN, coordinateur ou un appareil. Les dispositifs à fonction réduite ne fonctionnent que comme un dispositif terminal responsable d'applications très simples comme un interrupteur. Les IEEE 802.15.4 LR-WPAN sont basés sur des topologies en étoile ou de pair à pair. Dans une topologie étoile tous les appareils ne communiquent qu'avec un seul nœud central appelé PAN alors que dans les topologies peer-to-peer, les appareils peuvent communiquer avec n'importe quel d'autres appareils présents dans leur zone de couverture. La figure 1.2 illustre les topologies utilisées dans Réseaux IEEE 802.15.4.

b. La couche physique (PHY) :